Méthode de gestion d’énergie et de répartition de puissance pour un véhicule électrique hybride

Validation de la méthode d’ estimation de la masse et de la pente

L’épuisement proche des sources d’énergie fossiles et plus d’un milliard de véhicules terrestre en circulation dans le monde, sont deux facteurs qui ont rendu la recherche d’une source d’énergie alternative nécessaire. D’autre part, le secteur des transports est l’une des principales sources d’émission de gaz à effet de serre. Selon les statistiques d’environnement Canada pour l’ année 2011 , le secteur de transport a dégagé 24% du total d’ émission des gaz à effet de serre (GES) au Canada.

L’ électrification du groupe motopropulseur est une étape clé pour la réduction de ces émissions de gaz à effet de serre. Ce type de véhicule est en totalité électrique et utilise des batteries rechargeables pour propulser un moteur électrique donc pas d’émission locale de gaz toxique dans l’ air d’où l’appellation de véhicules électriques rechargeables « VER » ou aussi véhicules verts.

Toutefois, l’utilisation de batteries comme unique source d’énergie sur un véhicule soulève plusieurs défis qui doivent être abordés pour le rendre compétitif par rapport aux véhicules conventionnels à moteur à combustion interne. Panni ces défauts: une plage de fonctionnement limitée, un long temps de recharge, une durée de vie limitée.. Ainsi, deux approches essentielles d’ extension de l’autonomie des véhicules électriques sont apparues: les bornes de recharges et l’hybridation. L’ hybridation consiste à combiner deux sources d’énergie et un seul type de propulsion ou deux types différents de propulsion (électrique et thermique) on parle dans ce cas de véhicule électrique hybride « VER ». D’une part, combiner une deuxième source d’ énergie est un moyen pratique d’étendre la plage de fonctionnement d’un véhicule électrique. Ainsi, l’efficacité globale du véhicule devient complètement liée au contrôle des flux de puissance entre chaque source d’énergie et le groupe motopropulseur [7, 8]. D’autre part, l’ajout d’ un deuxième type de propulsion (thennique) permet soit de recharger les batteries, soit de fournir la puissance nécessaire pour propulser le véhicule afin d’obtenir plus d’ autonomie tout en prévenant la décharge profonde des batteries.

La deuxième approche pour augmenter l’ergonomie et la plage de fonctionnement des VERs pendant de longs trajets est le déploiement à grande échelle de points de charge des batteries [9]. Cette approche permet d’augmenter l’autonomie des VERs sans avoir recours à l’installation d’une seconde source sur le véhicule, mais ses résultats restent limités à la disposition des bornes de recharge. Ainsi, l’emploi ~e l’ une ou de l’ autre des deux approches d’ extension d’autonomie au cours d’ un long trajet ne peut pas réussir sans l’ utilisation d’ une méthode efficace et robuste de gestion d’ énergie. Cette méthode permettra au système de propulsion du VER d’ avoir l’énergie des batteries manquante par l’ intermédiaire des bornes de recharge et pour le VEH de cascader les deux sources d’énergie ou bien de partager la propulsion sur les différents systèmes de propulsion disponibles. Cependant, il est vrai que les véhicules électriques dans le marché sont équipés de telles méthodes, mais il y a encore des lacunes à résoudre et qui limitent leurs performances.

En effet, il est bien connu que la planification de la consommation d’énergie pour un long voyage est liée à des facteurs affectant la décharge des batteries : dynamique longitudinale du véhicule, paramètre d’inertie, principalement la masse, et les conditions de roulement telle que la vitesse du véhicule, la vitesse du vent, frottement des roues avec la route et la pente de la route. En plus, ces paramètres varient considérablement lors des voyages. Principalement, la masse qui est non seulement importante pour l’amélioration des performances des méthodes de gestion d’ énergie, mais aussi pour des systèmes de freinage « ABS » et de correction de trajectoire « ESP », change selon la charge embarquée ce qui impose sa détermination en temps réel à chaque utilisation du véhicule. Par conséquent, l’estimation de la masse est une étape importante pour développer un système efficace de gestion d’énergie et son estimation en ligne est un défi vu qu ‘elle peut varier lorsque le véhicule s’arrête.

Dans ce mémoire, afin de proposer des améliorations pour les extensions d’ énergie des VER et des VEH, deux méthodes de gestion d’énergie sont proposées. Les deux systèmes de gestions utilisent la dynamique longitudinale du véhicule électrique et un estimateur en ligne de la masse.

Dans la suite, une revue sur les véhicules électriques et l’hybridation sera présentée pour introduire le contexte de cette étude.

Véhicules électriques et hybridation 

De nouveaux types de carburant et sources d’énergie ont vu le jour et d’ autres ont réapparu comme initiative pour donner des solutions aux dégâts que les véhicules thermiques causent et continuent à causer :
• V éhicules au gaz naturel ;
• Véhicules au biocarburant ;
• Véhicules hybrides (électrique-thermique) ;
• Véhicule à l’hydrogène ;
• Véhicules hybrides (totalement électrique).
Les véhicules au gaz naturel, au biocarburant et hybrides (électrique-thermique) utilisent des moteurs à combustion interne soit pour la propulsion du véhicule dans les deux premiers cas soit pour soutenir une source primaire électrique dans le troisième cas. Toutefois, le problème d’ émission de GES et de dépendance au pétrole n’est pas totalement résolu, mais le pourcentage d’ émission de gaz toxiques est inférieur à celui des véhicules thermiques conventionnels. Pour les véhicules à hydrogène, électriques et hybrides (totalement électrique), ils sont totalement électriques et donc « zéro émission locale » de GES.

Véhicules électriques

Les véhicules électriques sont un ancien concept qui a vu le jour pour la première fois en 1834. À cette époque, le moteur électrique était un concurrent direct pour les moteurs à essence et à vapeur. À la moitié du 20éme siècle les véhicules à essence ont fini par exclure les véhicules électriques de la course. IL a fallu attendre le début du siècle suivant  pour repenser à l’idée d’utiliser ce type de véhicules dans le but de diminuer les effets négatifs du grand nombre de véhicules conventionnels.

Véhicules hybrides

Il existe trois principales topologies d’hybridation: hybridation série, hybridation parallèle et hybridation série-parallèle:
• Hybridation série:
Le véhicule est propulsé uniquement par un moteur électrique. Ce moteur est alimenté par des batteries qui sont rechargées par une deuxième source d’énergie et un freinage régénératif. La seconde source peut être thermique ou électrique.
• Hybridation parallèle:
Si l’hybridation est électrique-thermique, les deux moteurs s’ additionnent mécaniquement pour propulser le véhicule. Si l’ hybridation est électriqueélectrique, la puissance nécessaire pour propulser le véhicule est divisée entre les deux sources d’énergie selon leurs dimensions à l’ aide d’un système de commande électrique.
• Hybridation série-parallèle:
Cette topologie combine les deux principales topologies citées précédemment. En effet, si l’hybridation est électrique-thermique, un train épicycloïdale permet aux deux moteurs de tourner à différentes vitesses afin d’améliorer les performances du véhicule. Si l’hybridation est électrique-électrique, selon la méthode de gestion de l’énergie, le système de commande électrique sélectionne la topologie adéquate.

REVUE DE LITTÉRATURE 

Afin de bien maîtriser le sujet de ce travail, une recherche bibliographique est indispensable. En effet, cette tâche qui présente la case de départ de tout travail de recherche permet d’analyser des travaux déjà réalisés dans le domaine considéré et chercher les manques dans ces études. Lors de cette phase, différents types de travaux ont été analysés: des articles de revue, des articles de conférence, des mémoires, des thèses et des brevets.

Une première revue de littérature nous a permis de diviser le sujet de ce travail de maîtrise en trois parties essentielles. En effet, la différence au niveau de l’architecture du véhicule et le type des sources embarqué nous a permis de déterminer les deux premières branches de la revue bibliographique tel que montré dans [10] à savoir véhicules électriques hybrides et véhicules électriques rechargeables. Cette classification nous a permis de mieux entourer la problématique de gestion d’énergie tout en mettant l’accent sur les paramètres qui influencent le plus chacune des méthodes de gestion d’énergie.

Revue de littérature sur les méthodes de gestion d’énergie des véhicules électriques hybrides

Les améliorations dans l’ économie de carburant pour les véhicules hybrides et les émissions de gaz dépendent essentiellement de la stratégie de gestion d’énergie [11]. En effet, l’ hybridation est apparue comme une approche d’extension de l’autonomie des véhicules électriques et de la durée de vie des batteries [6]. Cette approche consiste à ajouter, selon le type d’hybridation adopté, une source secondaire pour fournir l’énergie nécessaire pour recharger les batteries ou pour propulser le véhicule. Ainsi dans le cas d’un véhicule à propulsion électrique, on trouve différentes combinaisons : source principale électrique (principalement un pack de batteries) et une source secondaire qui peut être soit thermique (moteur à combustion interne … ) soit électrique (pack de batteries, pile à combustible, supercondensateurs .. . ) [12, 13]. L’étude [1] a présenté un état de l’ art des systèmes de stockage d’énergie des véhicules électriques, hybrides électriques, à pile à combustible et hybrides électriques rechargeables. Pile à combustible, groupe électrogène, super condensateur et batteries sont les systèmes énergétiques les plus fréquemment rapportés. En effet, les batteries présentent une source d’énergie pas chère ayant une grande densité énergétique, une fiabilité élevée et une taille compacte qui facilite leur installation sur les véhicules. Cependant, les majeurs désavantages de cette technologie sont la restriction de la durée de vie et la dégradation du rendement quand elles sont trop déchargées. Elles sont généralement utilisées comme source principale d’énergie vu la possibilité d’ avoir un pack de batteries. Les supercondensateurs sont utilisés comme source secondaire. Ils stockent l’ énergie en séparant physiquement les charges positives et les charges négatives. Contrairement aux batteries, ils ont une longue durée de vie, mais leur densité énergétique est très faible. Cependant, ils sont capables de bien récupérer l’ électricité à partir de la régénération et aussi fournir rapidement la puissance lors des phases d’ accélération. Les piles à combustible CP AC) génèrent l’ électricité .à partir d’ un carburant qui est généralement l’hydrogène. Elles sont utilisées comme source principale ou secondaire grâce à leurs multiples avantages tels que l’ importante efficacité de conversion de l’hydrogène en énergie électrique, aucune émission de gaz toxique, fiabilité et durabilité élevées. Les désavantages de cette technologie sont essentiellement son prix très élevé et la nécessité d’un réservoir adapté pour stocker l’hydrogène.

Comme on peut le constater, il existe différentes sources d’ énergie, mais aucune d’ entre elles n’ est capable de fournir toute l’ énergie de propulsion pour de longs trajets. Ainsi, dans la littérature, on trouve plusieurs méthodes de gestion et de partage de l’énergie électrique utilisant différentes approches qui ont pour but la bonne utilisation des sources afin d’ étendre l’ autonomie des véhicules électriques hybrides.
• Approche basée sur la logique floue:
Une méthode de gestion d’ énergie basée sur la logique floue et combinant une pile à combustible comme source et des batteries et des super condensateurs comme dispositifs de stockage d’ énergie a été proposée dans.. La méthode consiste à améliorer le rendement de la pile et elle a permis de gérer différentes sources d’ énergie. Néanmoins, les modèles utilisés pour déterminer et prédire les états de charge des batteries et l’ énergie des supercondensateurs ne sont pas précises et ne prennent pas en considération les conditions de fonctionnement futures. D’ autre part, la validation de la méthode de gestion a été faite sur un banc d ‘ essai qui ne traduit pas le cas réel d’un véhicule et donc toutes les sources de perturbations ont été éliminées. Une autre méthode de gestion d’ énergie basée sur la logique floue pour un contrôle de la puissance de régénération dans un véhicule hybride équipé par une pile à combustible et un pack de batteries nickel-métal-hydrure (Ni-MH) a été présenté dans [15]. La validation de cette méthode a été faite par simulation et en utilisant Matlab/Simulink. Les résultats ont montré que l’ utilisation de cette stratégie augmente l’ énergie régénérée dans les batteries, mais l’utilisation d’ un modèle du véhicule présenté dans Matlab/Simulink réduit la validité externe des résultats (ne traduit pas le cas réel).
• Approche d’ optimisation:
Une hybridation à trois composants a été proposée dans l’ étude [16] : une pile à combustible, batteries et des supercondensateurs. Une stratégie de contrôle actif du flux de puissance de chaque source d’énergie basée sur la théorie de la commande optimale a été proposée. Dans le même contexte, la référence [17] traite le problème de gestion d’ énergie dans les véhicules électriques hybrides à pile à combustible rechargeable en utilisant une méthode de partage de puissance et en utilisant le modèle longitudinal d’un petit véhicule. Cependant, dans ces deux études, les auteurs considèrent que la demande de puissance future est connue à l’ avance et que la charge du véhicule, qui est connue au départ, ne va pas changer lors du voyage. Une autre méthode de gestion d’ énergie pour les véhicules électriques à hybridation parallèle utilisant les informations sur les trajets à effectuer a été proposée dans [18]. Cette méthode consiste à contrôler en temps réel une approche d’ optimisation de la consommation d’énergie en assurant un maintien de l’état de charge des batteries à un niveau désiré. Les résultats de cette méthode sont intéressants. Cependant, le couple moteur est considéré comme connu dans cette étude; or la détermination de ce paramètre nécessite l’ installation d’un capteur de couple. Dans le cas de cette étude, la validation a été faite sur un banc d’ essai ce qui facilite l’ installation de ce genre de capteur, mais ce n’est pas le cas sur un véhicule réel. D’ autres approches sont présentées par [11] et [19]. La plupart de ces travaux supposent que la demande de puissance du conducteur du véhicule est connue. Toutefois, le pilote dispose d’ un signal de commande à l’aide de la pédale d’accélération du véhicule. Une façon de déterminer la demande de puissance correspondante est d’utiliser la dynamique longitudinale du véhicule qui considère que la masse et d’autres paramètres physiques (le coefficient de résistance au roulement, la pente de la route, la densité de l’air, la surface frontale du véhicule et coefficient de traînée aérodynamique) comme étant connu au préalable. Alors que certains de ces paramètres peuvent être supposés comme des valeurs constantes, la masse du véhicule ainsi que la pente de la route peuvent changer pendant le voyage .

Revue de littérature sur les méthodes de gestion d’énergie des véhicules électriques à batteries 

Le thème de la gestion d’énergie des véhicules électriques à batteries est rarement présent dans la littérature. La plupart des études sont faites sur l’ amélioration des performances des batteries ou l’ optimisation du temps de recharge, mais sur un véhicule électrique où plusieurs composants électriques avec différentes dynamiques sont installés, les résultats de ces améliorations sont limités et n’affectent pas profondément le problème de l’extension de l’autonomie.

Une hypothèse presque générale dans la majorité de ces études est de supposer que les batteries sont complètement chargées au début du voyage et elles sont déchargées jusqu’ à la fin du voyage. En effet, l’ étude [20] a présenté une stratégie de gestion de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie de la batterie en lissant le courant de décharge de la batterie. Les résultats obtenus par simulation ont montré que l’algorithme permet de réduire les pertes au niveau de la résistance interne des cellules de la batterie, mais il n’ est pas suffisant pour accroître l’ autonomie des véhicules électriques. D’ autre part, un modèle de batterie Re de second ordre pour inspecter l’état interne de la batterie afin d’améliorer l’efficacité du système de gestion de cette dernière a été défini dans [21]. L’erreur entre les valeurs obtenues en utilisant le modèle mis au point et les valeurs de mesure est faible et le modèle peut donner une idée suffisante de l’état interne de la batterie, mais cette étude se limite à ce point et n’ étudie pas l’ influence de l’utilisation de ce modèle sur l’ autonomie des véhicules électriques. De plus, l’ article [22] a proposé un système de gestion de la batterie basé sur trois modules « module de protection de la batterie, module d’égalisation de batterie et module de gestion de données de la batterie » en utilisant différents paramètres physiques comme l’ état de charge, la température, le courant de décharge, la tension des batteries et la vitesse de rotation du moteur. La validation de la méthode a présenté de bons résultats et elle est capable d’ étendre la durée de vie des batteries, mais l’application de cette étude ne permet pas d’ étendre l’ autonomie du véhicule.

CONCLUSION

L’objectif de cette étude été de développer une approche de gestion d’énergie pour la grande famille des véhicules électriques utilisant un estimateur en ligne de la masse. Pour répondre à cet objectif, un système de planification de l’énergie pour les véhicules électriques rechargeables et une méthode de gestion de l’énergie pour les véhicules électriques hybrides ont été proposés. Une méthode d’estimation en ligne de la masse a été aussi proposée.

Table des matières

Chapitre 1. INTRODUCTION 
1.1 Véhicules électriques et hybridation
1.1.1 Véhicules électriques
1.1.2 Véhicules hybrides
1,2 Problématique
1.3 Objectif
1.4 Méthodologie
1.6 Structure du mémoire
Chapitre 2. Revue de littérature 
2.1 Revue de littérature sur les méthodes de gestion d’énergie des véhicules électriques hybrides
2.2 Revue de littérature sur les méthodes de gestion d’énergie des véhicules électriques à batteries
2.3 Revue de littérature sur les méthodes d’estimation de la masse
Conclusion
Chapitre 3. Méthodes de gestion d’énergie 
3.1 Méthode de gestion d’énergie et de répartition de puissance pour un véhicule électrique hybride
3.1.1 Problématique de gestion d’ énergie
3.1.2 Description de l’ architecture du véhicule électrique hybride à pile à combustible
3. 1.3 Modèles longitudinal et électrique d’un véhicule électrique bride à pile à combustible
3.1.4 Système de gestion d’ énergie
3.1.4.1 Couche supérieure: Planification énergétique globale
3.1.4.2 Cycle de conduite énergétiquement économe
3.1.4.3 Planification économe de la consommation de puissance
3.1.4.4 Couche inférieure : répartition économique de la puissance
Récapitulatif
3.2 Méthode de gestion d’ énergie d’ un véhicule électrique rechargeable
3.2.1 Vitesse du vent
3.2.1.1 Modélisation de la vitesse du vent
3.2.1.2 Influence de la vitesse du vent sur la puissance consommée
3.2.2 Description de la méthode de gestion d’ énergie
3.2.3 Formulation du problème
3.2.3.1 Estimation de l’ énergie consommée
3.2.3.2 Estimation de la dégradation des batteries
3.2.4 Description de la fonction de coût
Récapitulatif
Chapitre 4. Estimation en ligne de la masse et de la pente 
4.1 Influence de la vitesse du vent sur l’ estimation de la masse et de la pente
4.1.1 Influence de la vitesse du vent sur l’ estimation de la masse :
4.1.2 Influence de la vitesse du vent sur l’ estimation de la pente de la route:
4.2 Formulation du problème d’ estimation de la masse et de la pente
4.3 Estimation avec la méthode des moindres carrés récursifs avec plusieurs facteurs d’oubli
4.4 Approche d ‘optimisation non linéaire
4.4.1 Étude de sensibilité
4.4.2 Couche de supervision
4.4.3 Couche d’optimisation
Conclusion
Chapitre 5. Expériences et simulations 
5.1 Validation de la méthode d’ estimation de la masse et de la pente
5.1.1 Masse du véhicule constante
5.1.1.1 Méthode d’optimisation avec le modèle ARX
5.1.1.2 Méthode d’ optimisation avec le réseau de neurones
5.1.2 Méthode des moindres carrées récursifs
5.1.3 Validation pour une masse variable
5.1.3.1 Masse variable en utilisant le modèle ARX
5.1.3.2 Masse variable en utilisant le réseau de neurones
5.1.4 Validation pour une pente variable
5.1.4.1 Pente variable en utilisant le modèle ARX
5.1.4.2 Pente variable en utilisant le réseau de neurones
5.1.4.3 Estimation avec l’algorithme des moindres carrés récursif
Récapitulatif
5.2 Validation de la méthode de gestion d’énergie pour un véhicule électrique hybride
5.2.1 Validation du cycle de conduite optimal
5.2.2 Influence du changement de la masse sur les profils de puissance et d’énergie
5.2.3 Validation de la méthode de partage de puissance
5.2.3.1 Influence de la masse sur la méthode de partage de puissance
5.2.3.2 Influence du coût d’énergie sur la méthode de partage de puissance
Récapitulatif
5.3 Validation de la méthode de gestion d’ énergie pour un véhicule électrique rechargeable
5.3.1 Influence de la vitesse et la direction du vent sur le scénario optimal
5.3.2 Influence de la dégradation initiale des batteries sur le scénario optimal
5.3.3 Influence de la contrainte de la durée du voyage sur le scénario optimal
5.3.4 Influence d’un changement de masse au cours du voyage sur le scénario optimal
5.3.5 Étude comparative avec un véhicule électrique commercial
Récapitulatif
Chapitre 6. Conclusion

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